JP5176021B6 - Gas diffusion substrate - Google Patents

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Description

本発明はガス拡散基材に関し、特にポリマー電解質膜燃料電池などの燃料電池で使用されるガス拡散基材に関する。本発明は更に、ガス拡散基材を製造する方法に関する。   The present invention relates to a gas diffusion substrate, and more particularly to a gas diffusion substrate used in a fuel cell such as a polymer electrolyte membrane fuel cell. The invention further relates to a method for producing a gas diffusion substrate.

燃料電池は、電解質によって分離されている2つの電極を含む電気化学電池である。水素又はメタノールなどの燃料がアノードへ供給され、酸素又は空気などの酸化物がカソードへ供給される。電気化学反応が電極で生じ、燃料及び酸化物の化学エネルギーが電気エネルギー及び熱へ変換される。燃料電池は、クリーンで効率的な電力源であり、固定用途及び動力用途の両方において、内燃機関のような伝統的動力源に代わり得るものである。プロトン交換膜(PEM)燃料電池において、電解質は、電子絶縁性であるが、イオン伝導性である固体のポリマー膜である。   A fuel cell is an electrochemical cell that includes two electrodes separated by an electrolyte. A fuel such as hydrogen or methanol is supplied to the anode and an oxide such as oxygen or air is supplied to the cathode. An electrochemical reaction occurs at the electrode, and the chemical energy of the fuel and oxide is converted to electrical energy and heat. Fuel cells are clean and efficient power sources that can replace traditional power sources such as internal combustion engines in both stationary and power applications. In proton exchange membrane (PEM) fuel cells, the electrolyte is a solid polymer membrane that is electronically insulating but ionically conductive.

ポリマー電解質燃料電池の主要成分は、膜電極アセンブリ(MEA)として知られており、本質的には5つの層からなる。中央の層はポリマー膜である。この膜のいずれの側にも電極触媒層があり、典型的にはプラチナベースの電極触媒を含んでいる。電極触媒は、電気化学反応率を促進する触媒である。最後に、各電極触媒層に隣接して、ガス拡散基材がある。ガス拡散基材は、反応物を電極触媒層に到達させなければならず、且つ電気化学反応により生成される電流を導通させなければならない。故に、基材は多孔性且つ導電性でなければならない。   The main component of a polymer electrolyte fuel cell is known as a membrane electrode assembly (MEA) and consists essentially of five layers. The middle layer is a polymer film. There is an electrocatalyst layer on either side of the membrane, typically containing a platinum-based electrocatalyst. The electrode catalyst is a catalyst that promotes the electrochemical reaction rate. Finally, there is a gas diffusion substrate adjacent to each electrode catalyst layer. The gas diffusion substrate must allow reactants to reach the electrode catalyst layer and conduct current generated by the electrochemical reaction. Therefore, the substrate must be porous and conductive.

MEAは、幾つかの方法により構成することができる。電極触媒層をガス拡散基材に付与してガス拡散電極を形成してもよい。2つのガス拡散電極は、膜のいずれの側にも配置され、共に積層されて5層MEAを形成することができる。あるいは、電極触媒層を膜の両面に付与して触媒コーティング膜を形成してもよい。その後、ガス拡散基材が触媒コーティング膜の両面に付与される。最終的に、一方の側に電極触媒層がコーティングされた膜と、電極触媒層に接したガス拡散基材と、この膜の他方の側にあるガス拡散電極とからMEAを形成することができる。   The MEA can be configured in several ways. An electrode catalyst layer may be applied to the gas diffusion substrate to form a gas diffusion electrode. Two gas diffusion electrodes can be placed on either side of the membrane and stacked together to form a 5-layer MEA. Alternatively, an electrode catalyst layer may be provided on both sides of the film to form a catalyst coating film. Thereafter, a gas diffusion substrate is applied to both sides of the catalyst coating film. Finally, an MEA can be formed from a membrane coated with an electrode catalyst layer on one side, a gas diffusion substrate in contact with the electrode catalyst layer, and a gas diffusion electrode on the other side of the membrane. .

典型的なガス拡散基材としては、カーボン紙(例えば、Toray Industries(日本)から入手可能なToray「商品名」紙)、炭素織布(例えば、Zoltek Corporation(米国)から入手可能なZoltek「商品名」)又は不織布炭素繊維ウェブ(例えば、Technical Fibre Products(英国)から入手可能なOptimat 203)が挙げられる。炭素基材は、典型的には、基材に埋め込まれているか若しくは平面上にコーティングされている粒状物質、又はそれら両方の組み合わせで改質されている。粒状物質は、典型的には、カーボングラックと、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などのポリマーとの混合物である。   Typical gas diffusion substrates include carbon paper (eg, Toray “trade name” paper available from Toray Industries, Japan), carbon woven fabric (eg, Zoltek “product” available from Zoltek Corporation, USA). Name ") or non-woven carbon fiber webs (e.g. Optimat 203 available from Technical Fiber Products (UK)). Carbon substrates are typically modified with particulate material embedded in the substrate or coated on a flat surface, or a combination of both. The particulate material is typically a mixture of carbon black and a polymer such as polytetrafluoroethylene (PTFE).

米国特許第6,511,768号は、黒鉛化繊維ウェブ構造を含むガス拡散基材を開示している。このウェブは、ポリアクリロニトリル(PAN)繊維から形成されたウェブ構造を採用し、且つ、このウェブを酸化及び黒鉛化することにより製造される。黒鉛化工程は、1500〜2500℃の温度で行われる。この種の高温処理にはかなりのエネルギー入力が必要となり、これは製造プロセスの費用を増大させる。   US Pat. No. 6,511,768 discloses a gas diffusion substrate comprising a graphitized fiber web structure. The web is manufactured by employing a web structure formed from polyacrylonitrile (PAN) fibers and oxidizing and graphitizing the web. The graphitization step is performed at a temperature of 1500 to 2500 ° C. This type of high temperature processing requires significant energy input, which increases the cost of the manufacturing process.

欧州特許第791974号は、高温黒鉛化工程を用いない、ガス拡散基材を調製するための連続的な製造方法を開示している。カーボンブラックをPTFEと混合し、炭素繊維にPTFEをコーティングする。カーボングラック/PTFE混合物及びコーティングされた炭素繊維を混合してスラリーを形成し、これを可動メッシュベッド上に付着させる。付着させた層を乾燥させ、ガス拡散基材を形成する。   EP 791974 discloses a continuous production process for preparing a gas diffusion substrate without using a high temperature graphitization step. Carbon black is mixed with PTFE, and carbon fiber is coated with PTFE. The carbon black / PTFE mixture and the coated carbon fiber are mixed to form a slurry that is deposited on the movable mesh bed. The deposited layer is dried to form a gas diffusion substrate.

本発明者らは、欧州特許第791974号に開示された基材と比較して伝導性が向上したガス拡散基材材料を提供しようと試み、且つ、繊維ウェブの高温黒鉛化を必要としない方法によって前記材料を達成しようと試みてきた。この基材は、燃料電池における使用に適した伝導性、空気透過性及び水処理特性を有していなければならない。基材は、電極及び/又は膜電極アセンブリへの更なる処理に耐えうる程十分に強靭且つ柔軟であるべきである。   We have attempted to provide a gas diffusion substrate material with improved conductivity compared to the substrate disclosed in EP 791974 and a method that does not require high temperature graphitization of the fibrous web Have attempted to achieve the material. The substrate must have conductivity, air permeability and water treatment properties suitable for use in fuel cells. The substrate should be strong and flexible enough to withstand further processing to the electrode and / or membrane electrode assembly.

従って、本発明は、
炭素繊維の不織布網状組織と、及び
前記炭素繊維が黒鉛化されてなるが、前記不織布網状組織は黒鉛化処理されていないものであり、
前記不織布網状組織内に配置されたグラファイト粒子と疎水性ポリマーの混合物とを備えなり、
前記グラファイト粒子の少なくとも90%の最長寸法が100μm未満である、ガス拡散基材を提供する。
Therefore, the present invention
Carbon fiber non-woven network, and the carbon fiber is graphitized, the non-woven network is not graphitized,
Comprising a mixture of graphite particles and a hydrophobic polymer disposed within the nonwoven network;
A gas diffusion substrate is provided wherein the longest dimension of at least 90% of the graphite particles is less than 100 μm.

黒鉛化は、炭素が少なくとも1500℃まで加熱されて、炭素の結晶構造が、純グラファイトの構造により類似している「グラファイト状」形態へと変化するプロセスである。炭素繊維は黒鉛化しているが、不織布網状組織は黒鉛化処理されていない炭素繊維の不織布網状組織は、黒鉛化した網状組織とは物理的に異なる。黒鉛化した網状組織は、黒鉛化炭素繊維で作製された非黒鉛化網状組織と比較してより高い伝導性及びより高い剛性を有するようである。   Graphitization is a process in which carbon is heated to at least 1500 ° C. and the crystal structure of carbon changes to a “graphite-like” form that is more similar to the structure of pure graphite. The carbon fiber is graphitized, but the nonwoven network is not graphitized and the carbon fiber nonwoven network is physically different from the graphitized network. The graphitized network appears to have higher conductivity and higher stiffness compared to the non-graphitized network made of graphitized carbon fibers.

米国特許第6,511,768号は、繊維の剛性が高いと、黒鉛化繊維からのウェブ構造の形成が妨げられることを記載しているが、本発明者らは、本発明のガス拡散基材において繊維の不織布網状組織を形成するために黒鉛化繊維を使用することが有利であることを見出した。個々の繊維を処理する方が容易且つ経済的であることから、繊維網状組織を黒鉛化するよりも、個々の黒鉛化繊維を用いる方が好ましい。また、繊維網状組織の黒鉛化は、黒鉛化処理中に生じる異方性の寸法変化のため、望ましくない非平坦構造を生じる可能性がある。   US Pat. No. 6,511,768 states that high fiber stiffness prevents the formation of web structures from graphitized fibers, but we have described the gas diffusion groups of the present invention. It has been found advantageous to use graphitized fibers to form a nonwoven network of fibers in the material. Since it is easier and more economical to treat individual fibers, it is preferred to use individual graphitized fibers rather than graphitizing the fiber network. Also, graphitization of the fiber network can result in undesirable non-flat structures due to anisotropic dimensional changes that occur during the graphitization process.

米国特許6,511,768号は、黒鉛化したウェブ構造は、それらが高い面通過(through−plane)伝導性を有するため、ガス拡散基材を形成するのに使用されるべきであることを開示している。本発明者らは、黒鉛化ウェブ構造を用いることなく、伝導性が高いガス拡散基材を達成可能であることを見出した。本発明において、高い伝導性は、黒鉛化炭素繊維の不織布網状組織内に微細なグラファイト粒子を配置することによって達成される。微細なグラファイト粒子(グラファイト粒子の少なくとも90%の最長寸法は100μm未満である)は、代替の平行な導通路を繊維に与え、隣接する繊維同士をつなぐ助けとなり、故に繊維間の伝導性を向上させる。   US Pat. No. 6,511,768 states that graphitized web structures should be used to form gas diffusion substrates because they have high through-plane conductivity. Disclosure. The present inventors have found that a gas diffusion substrate having high conductivity can be achieved without using a graphitized web structure. In the present invention, high conductivity is achieved by placing fine graphite particles within a nonwoven network of graphitized carbon fibers. Fine graphite particles (the longest dimension of at least 90% of the graphite particles is less than 100 μm) provides the fibers with an alternative parallel conduction path, helping to connect adjacent fibers and thus improving the conductivity between the fibers Let

黒鉛化炭素繊維は、好適にはポリアクリロニトリル(PAN)繊維を酸化及び黒鉛化することにより形成された炭素繊維である。好適には、炭素繊維の平均直径は0.1〜20μmであり、好ましくは1〜10μmである。炭素繊維の平均長は好適には1〜20mmであり、好ましくは3〜12mmである。不織布網状組織の坪量(面積重量)は、好適には10〜50g/mであり、好ましくは20〜40g/mである(これは、炭素繊維のみの重量であり、グラファイト粒子又は疎水性ポリマーの重量を含まない)。繊維網状組織がこれより低い坪量を有する場合、基材の伝導性が低下することがある。 Graphitized carbon fibers are preferably carbon fibers formed by oxidizing and graphitizing polyacrylonitrile (PAN) fibers. Suitably, the average diameter of the carbon fibers is 0.1-20 μm, preferably 1-10 μm. The average length of the carbon fibers is suitably 1 to 20 mm, preferably 3 to 12 mm. The basis weight of the nonwoven fabric network (areal weight) is preferably a 10 to 50 g / m 2, preferably from 20 to 40 g / m 2 (which is the weight of only carbon fibers, graphite particles or hydrophobic Does not include the weight of the conductive polymer). If the fiber network has a lower basis weight, the conductivity of the substrate may be reduced.

不織布網状組織において、炭素繊維は好適にはx方向及びy方向(面内)にランダムに配向され、二次元的な等方性構造を形成する。しかしながら、x方向及びy方向の配向は、繊維網状組織を形成するのに使用される方法に応じて導入することができる。従来の抄紙又はウェットレイド不織布技術を使用して繊維網状組織を形成した場合、z方向(面貫通)にランダムな配向があるようである。   In the nonwoven network, the carbon fibers are preferably oriented randomly in the x and y directions (in-plane) to form a two-dimensional isotropic structure. However, orientation in the x and y directions can be introduced depending on the method used to form the fiber network. When the fiber network is formed using conventional papermaking or wet laid nonwoven technology, there appears to be random orientation in the z direction (plane penetration).

本発明で使用するグラファイト粒子は、黒鉛化したカーボンブラックであってもよいが、好適にはフレーク状グラファイト又は球状グラファイトである。グラファイト粒子の少なくとも90%の最長寸法は100μm未満であり、好適には20〜0.1μmであり、好ましくは5〜0.1μmである。微細なグラファイト粒子及び非常に微細なグラファイト粒子が好ましい。粒子が大きくなると、繊維網状組織内に保持しておくのが困難な場合がある。好ましくは、グラファイト粒子は、グラファイト粒子のコロイド状懸濁液として供給され、グラファイト粒子はコロイド状懸濁液内に保持されるのに十分な程小さい。小さい粒子は凝集しないため、グラファイト粒子のコロイド状懸濁液が有利である。   The graphite particles used in the present invention may be graphitized carbon black, but are preferably flaky graphite or spherical graphite. The longest dimension of at least 90% of the graphite particles is less than 100 μm, suitably 20 to 0.1 μm, preferably 5 to 0.1 μm. Fine graphite particles and very fine graphite particles are preferred. Larger particles can be difficult to keep in the fiber network. Preferably, the graphite particles are supplied as a colloidal suspension of graphite particles, the graphite particles being small enough to be retained within the colloidal suspension. Because small particles do not aggregate, a colloidal suspension of graphite particles is advantageous.

疎水性ポリマーは、好適には、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)又はフッ素化エチレン−プロピレン(FEP)などのフルオロポリマーであり、好ましくはPTFEである。疎水性ポリマーに対するグラファイト粒子の重量比は、好適には50:1〜2:1であり、好ましくは10:1〜4:1である。炭素繊維に対するグラファイト粒子の重量比は、好適には1:2〜10:1であり、好ましくは3:5〜5:1である。グラファイト粒子、疎水性ポリマー及び炭素繊維の相対量は、基材の特性を決定する上で極めて重要である。疎水性ポリマーの割合を高くすると基材の疎水性が大きくなり、強度が増すが、炭素繊維及びグラファイト粒子の割合を高くすると伝導性が高くなる。グラファイト粒子は非常に低い抵抗性を有するため、グラファイト粒子の相対量は伝導性に最も大きな影響を与える。   The hydrophobic polymer is suitably a fluoropolymer such as polytetrafluoroethylene (PTFE) or fluorinated ethylene-propylene (FEP), preferably PTFE. The weight ratio of graphite particles to hydrophobic polymer is suitably 50: 1 to 2: 1, preferably 10: 1 to 4: 1. The weight ratio of graphite particles to carbon fibers is suitably 1: 2 to 10: 1, preferably 3: 5 to 5: 1. The relative amounts of graphite particles, hydrophobic polymer and carbon fiber are extremely important in determining the properties of the substrate. Increasing the proportion of the hydrophobic polymer increases the hydrophobicity of the substrate and increases the strength, but increasing the proportion of carbon fibers and graphite particles increases the conductivity. Because graphite particles have very low resistance, the relative amount of graphite particles has the greatest effect on conductivity.

本発明の一の態様によれば、繊維網状組織の厚さ全体にわたって、グラファイト粒子及び疎水性ポリマーの濃度勾配がある。「濃度勾配」という表現は、濃度が網状組織の第1面から第2面にかけて漸次的に(しかし必ずしも直線的ではなく)変化することを意味する。好適には、第1面でのグラファイト粒子及び疎水性ポリマーの量は、第2面でのグラファイト粒子及び疎水性ポリマーの量の少なくとも2倍であり、好ましくは少なくとも4倍である。   According to one aspect of the invention, there is a concentration gradient of graphite particles and hydrophobic polymer throughout the thickness of the fiber network. The expression “concentration gradient” means that the concentration changes gradually (but not necessarily linearly) from the first side to the second side of the network. Suitably, the amount of graphite particles and hydrophobic polymer on the first side is at least twice, preferably at least four times the amount of graphite particles and hydrophobic polymer on the second side.

本発明の別の態様において、グラファイト粒子及び疎水性ポリマーは繊維網状組織内に均質に配置されている。即ち、繊維網状組織の厚さ全体にわたって濃度勾配はない。   In another aspect of the invention, the graphite particles and the hydrophobic polymer are homogeneously disposed within the fiber network. That is, there is no concentration gradient across the thickness of the fiber network.

グラファイト粒子及び疎水性ポリマーに加え、ガス拡散基材は更に、フェノール樹脂の迅速な低温炭化により形成された結合剤を更に含んでよい。この結合剤は、ウェブ構造のノードを固定し、グラファイト粒子同士をより密接に結合するため、x−y平面における基材の強度を増大させる。更に、結合剤は材料の圧縮性も低下させる。炭化フェノール樹脂結合剤の量は、好適には基材の重量を基準として2〜50重量%である。約1500℃よりも高い温度で行われる黒鉛化とは対照的に、炭化は約800℃の温度で達成することができる。より低い温度も使用できるが、付随して伝導性の増加率も低下する。   In addition to the graphite particles and the hydrophobic polymer, the gas diffusion substrate may further include a binder formed by rapid low temperature carbonization of the phenolic resin. This binder fixes the nodes of the web structure and more closely bonds the graphite particles, thus increasing the strength of the substrate in the xy plane. Furthermore, the binder also reduces the compressibility of the material. The amount of carbonized phenolic resin binder is preferably 2 to 50% by weight based on the weight of the substrate. In contrast to graphitization performed at temperatures higher than about 1500 ° C., carbonization can be achieved at temperatures of about 800 ° C. Lower temperatures can be used, but the accompanying increase in conductivity is also reduced.

本発明の好ましい態様によれば、ガス拡散基材は燃料電池での使用に適するものであり、故に400μm未満の「正味:ex−situ」厚さ、好ましくは100〜250μmの厚さを有する。基材の厚さは、例えば燃料電池スタック中に集合させた場合に発生するような、圧縮に伴って実質的に可変し得るものである。   According to a preferred embodiment of the present invention, the gas diffusion substrate is suitable for use in a fuel cell and thus has an “ex-situ” thickness of less than 400 μm, preferably a thickness of 100 to 250 μm. The thickness of the substrate can vary substantially with compression, such as occurs when assembled in a fuel cell stack.

好適には、基材を燃料電池で使用する場合、カーボンブラック及び疎水性ポリマーの基層が基材の少なくとも1つの面に存在する。粒状カーボンブラック材料は、例えば、Vulcan「商品名」XC72R(Cabot Chemicals(米国)製)などのオイルファーネスブラック、若しくはShawinigan(Chevron Chemicals(米国)製)又はDenka FX−35(Denka(日本)製)などのアセチレンブラックである。疎水性ポリマーは、好適にはポリテトラフルオロエチレン(PTFE)である。基層は、触媒層が付与される連続的な表面を提供する。ガス拡散基材が、基材の厚さ全体にわたってグラファイト粒子及び疎水性ポリマーの濃度勾配を有する場合、基層は、グラファイト粒子及び疎水性ポリマーの濃度がより高いガス拡散基材の面上に存在するのが好適である。   Preferably, when the substrate is used in a fuel cell, a base layer of carbon black and a hydrophobic polymer is present on at least one side of the substrate. The granular carbon black material is, for example, an oil furnace black such as Vulcan “trade name” XC72R (manufactured by Cabot Chemicals (USA)), or Shawinigan (manufactured by Chevron Chemicals (USA)) or Denka FX-35 (manufactured by Denka (Japan)). Acetylene black. The hydrophobic polymer is preferably polytetrafluoroethylene (PTFE). The base layer provides a continuous surface to which the catalyst layer is applied. If the gas diffusion substrate has a concentration gradient of graphite particles and hydrophobic polymer throughout the thickness of the substrate, the base layer is on the surface of the gas diffusion substrate where the concentration of graphite particles and hydrophobic polymer is higher Is preferred.

本発明は更に、本発明によるガス拡散基材と、電極触媒層とを含むガス拡散電極を提供する。   The present invention further provides a gas diffusion electrode comprising the gas diffusion substrate according to the present invention and an electrode catalyst layer.

電極触媒層は電極触媒を含み、この電極触媒は、細断された金属粉末(メタルブラック)であっても、導電性の粒状炭素支持体上に小さい金属粒子が分散している支持された触媒であってもよい。好適には、電極触媒金属は、
(i)白金族金属(プラチナ、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム及びオスミウム)、
(ii)金又は銀、
(iii)卑金属、
又はこれら金属の1つ以上を含む合金若しくは混合物、又はそれらの酸化物から選択される。好ましい電極触媒金属はプラチナであり、これは、ルテニウムなどの貴金属、又はモリブデンやタングステンなどの卑金属と共に合金化されていてもよい。電極触媒が担持触媒の場合、炭素支持体材料上の金属粒子の担持量は10〜90重量%、好ましくは15〜75重量%の範囲内である。
The electrocatalyst layer includes an electrocatalyst, and the electrocatalyst is a supported catalyst in which small metal particles are dispersed on a conductive granular carbon support even if it is a chopped metal powder (metal black) It may be. Preferably, the electrocatalytic metal is
(I) platinum group metals (platinum, palladium, rhodium, ruthenium, iridium and osmium),
(Ii) gold or silver,
(Iii) base metals,
Or an alloy or mixture containing one or more of these metals, or an oxide thereof. A preferred electrocatalytic metal is platinum, which may be alloyed with a noble metal such as ruthenium or a base metal such as molybdenum or tungsten. When the electrode catalyst is a supported catalyst, the supported amount of metal particles on the carbon support material is 10 to 90% by weight, preferably 15 to 75% by weight.

電極触媒層は、好適には、イオン伝導ポリマーを更に含んでなり、このポリマーは層内でのイオン伝導性を向上させるべく包含されている。   The electrocatalyst layer preferably further comprises an ion conducting polymer, which is included to improve ionic conductivity within the layer.

好ましい実施形態によれば、ガス拡散電極が燃料電池のカソードであり、繊維網状組織の厚さ全体にわたってグラファイト粒子及び疎水性ポリマーの濃度勾配があり、この電極触媒層が、グラファイト粒子及び疎水性ポリマーの濃度がより高いガス拡散基材の面に接している。最も疎水性である基材表面を触媒層に隣接して配置することにより、燃料電池作動中に触媒層が水で閉塞されることを防止する。   According to a preferred embodiment, the gas diffusion electrode is the cathode of the fuel cell and there is a concentration gradient of graphite particles and hydrophobic polymer throughout the thickness of the fiber network, the electrocatalyst layer comprising graphite particles and hydrophobic polymer It is in contact with the surface of the gas diffusion substrate having a higher concentration. Placing the most hydrophobic substrate surface adjacent to the catalyst layer prevents the catalyst layer from being clogged with water during fuel cell operation.

本発明は、本発明によるガス拡散基材を含む膜電極アセンブリを更に提供する。膜電極アセンブリは、2つの電極触媒層の間に介在するポリマー電解質膜を備えてなる。ガス拡散基材は、その少なくとも1つが本発明によるガス拡散基材であり、電極触媒層に隣接している。   The present invention further provides a membrane electrode assembly comprising a gas diffusion substrate according to the present invention. The membrane electrode assembly comprises a polymer electrolyte membrane interposed between two electrode catalyst layers. At least one of the gas diffusion substrates is a gas diffusion substrate according to the present invention and is adjacent to the electrode catalyst layer.

ポリマー電解質膜は、当業者に既知のいかなるタイプのイオン伝導膜であってもよい。好適には、膜はプロトン伝導性である。最新技術の膜電極アセンブリでは、膜は、Nafion「商品名」(Dupont)、Flemion「商品名」(Asahi Glass)及びAciplex「商品名」(Asahi Kasei)などの過フッ素化スルホン酸材料をベースとすることが多い。膜は複合膜であってもよく、プロトン伝導材料と、機械的強度などの特性を付与する他の材料とを含有する。例えば、膜は、欧州特許第875524号に記載されるように、プロトン伝導膜と、シリカ繊維のマトリックスとを含んでもよい。膜は、好適には200μm厚であり、好ましくは50μm厚未満である。   The polymer electrolyte membrane may be any type of ion conducting membrane known to those skilled in the art. Preferably the membrane is proton conductive. In state-of-the-art membrane electrode assemblies, the membrane is based on perfluorinated sulfonic acid materials such as Nafion “trade name” (Dupont), Flemion “trade name” (Asahi Glass), and Aciplex “trade name” (Asahi Kasei). Often to do. The membrane may be a composite membrane and contains a proton conducting material and other materials that impart properties such as mechanical strength. For example, the membrane may comprise a proton conducting membrane and a matrix of silica fibers, as described in EP 875524. The membrane is suitably 200 μm thick, preferably less than 50 μm thick.

好ましい態様によれば、繊維網状組織の厚さ全体にわたって、グラファイト粒子及び疎水性ポリマーの濃度勾配を有し、膜電極アセンブリにおける電極触媒層は、グラファイト粒子及び疎水性ポリマーの濃度がより高いガス拡散基材の面に接している。   According to a preferred embodiment, there is a concentration gradient of graphite particles and hydrophobic polymer throughout the thickness of the fiber network, and the electrocatalyst layer in the membrane electrode assembly is gas diffused with a higher concentration of graphite particles and hydrophobic polymer. It is in contact with the surface of the substrate.

本発明は、本発明によるガス拡散基材を形成する方法であって、
a)多孔質ベッド上に黒鉛化炭素繊維のスラリーを付着させ、湿った繊維網状組織を形成し、
b)グラファイト粒子及び疎水性ポリマーの懸濁液を調製し、
前記グラファイト粒子の少なくとも90%の最長寸法が100μm未満であり、
c)前記湿った繊維網状組織上に前記懸濁液を付与し、
d)前記懸濁液を前記湿った繊維網状組織内へ入れ、及び
e)1000℃を超えない温度で前記湿った繊維網状組織を乾燥及び焼成させる、各工程を含んでなるものを更に提供する。
The present invention is a method of forming a gas diffusion substrate according to the present invention, comprising:
a) depositing a graphitized carbon fiber slurry on the porous bed to form a wet fiber network;
b) preparing a suspension of graphite particles and a hydrophobic polymer;
The longest dimension of at least 90% of the graphite particles is less than 100 μm;
c) applying the suspension onto the wet fiber network;
further comprising: d) placing the suspension into the wet fiber network; and e) drying and firing the wet fiber network at a temperature not exceeding 1000 ° C. .

この方法は、乾燥繊維ウェブが事前形成される別個の工程を必要とせず、高温黒鉛化処理も必要としない、即ち、1500℃よりも高い温度で加熱する必要がない。   This method does not require a separate step in which the dry fiber web is preformed, nor does it require a high temperature graphitization treatment, i.e. it does not need to be heated above 1500 ° C.

繊維のスラリーは、好適には、水などの液体中に黒鉛化炭素繊維を含む。スラリーは、機械的又は手による攪拌によって繊維と水とを混合することにより調製可能である。スラリーは、抄紙ワイヤ又は形成用布帛のような多孔質ベッド上に付着される。スラリーは、ウェットレイド不織布ウェブを形成するのに適する多数の技法を用いて、例えばカーテンコーター又はウェアコーターを用いて付着させ、平坦で薄いスラリー層を提供してもよい。   The fiber slurry preferably comprises graphitized carbon fibers in a liquid such as water. The slurry can be prepared by mixing the fiber and water by mechanical or manual stirring. The slurry is deposited on a porous bed such as a papermaking wire or forming fabric. The slurry may be deposited using a number of techniques suitable for forming a wet laid nonwoven web, for example using a curtain coater or a wear coater, to provide a flat and thin slurry layer.

繊維スラリーは、好適にはポリビニルアルコール(PVA)などの結合剤材料を、典型的にはスラリーの総乾燥質量の5〜15%の範囲で含有する。繊維スラリーは、好適には、Texipol「商品名」などの粘度調整剤を、典型的にはスラリーの総容量の0.5〜1%含有する。1つの実施形態では、繊維スラリーは更にフェノール樹脂を含有する。   The fiber slurry preferably contains a binder material such as polyvinyl alcohol (PVA), typically in the range of 5-15% of the total dry mass of the slurry. The fiber slurry preferably contains a viscosity modifier such as Texipol “trade name”, typically 0.5-1% of the total volume of the slurry. In one embodiment, the fiber slurry further contains a phenolic resin.

スラリーが多孔質ベッド上に付着されると、湿った繊維網状組織が形成される。湿った繊維網状組織はベッドに支持されており、ベッドから取り外されると崩壊する。   When the slurry is deposited on the porous bed, a wet fiber network is formed. The wet fiber network is supported by the bed and collapses when removed from the bed.

グラファイト粒子の少なくとも90%の最長寸法は100μm未満であり、好ましくは、グラファイト粒子の少なくとも90%の最長寸法は0.1〜5μmの範囲である。微細なグラファイト粒子(0.1〜100μm)は、ろ過プロセスを通じて繊維網状組織に添加できるので好ましい。より大きい粒子は構造を貫通しない。好ましくは、グラファイト粒子は、グラファイト粒子のコロイド状懸濁液、例えば、グラファイト粒子のコロイド溶液として供給される。   The longest dimension of at least 90% of the graphite particles is less than 100 μm, and preferably the longest dimension of at least 90% of the graphite particles is in the range of 0.1 to 5 μm. Fine graphite particles (0.1-100 μm) are preferred because they can be added to the fiber network through the filtration process. Larger particles do not penetrate the structure. Preferably, the graphite particles are supplied as a colloidal suspension of graphite particles, such as a colloidal solution of graphite particles.

グラファイト粒子及び疎水性ポリマーの懸濁液は、好適には水中に1〜10重量%の固体分を含む。懸濁液は、機械的又は手による攪拌により、グラファイト粒子の懸濁液、疎水性ポリマーの懸濁液及び水を混合することによって調製してもよい。   The suspension of graphite particles and hydrophobic polymer preferably comprises 1 to 10% solids in water. The suspension may be prepared by mixing a suspension of graphite particles, a suspension of a hydrophobic polymer and water by mechanical or manual stirring.

懸濁液は、ウェアコーター又はカーテンコーターを介して湿った繊維網状組織に付与される。   The suspension is applied to the wet fiber network through a wear coater or curtain coater.

懸濁液は、好適には吸引装置を用いて湿った繊維網状組織内に入れられる。本発明の好ましい実施形態では、懸濁液は湿った繊維網状組織の1つの面にのみ付与され、吸引は湿った繊維網状組織の他面に施される。懸濁液は繊維網状組織内に吸引されるが、一般には、吸引が施される基材面に達するよりも、懸濁液が付与される基材面の近くに残存する懸濁液の方が多い。故に、この方法を用いて、基材の厚さ全体にわたって多孔率の勾配があるガス拡散基材を製造することができる。   The suspension is preferably placed in the wet fiber network using a suction device. In a preferred embodiment of the present invention, the suspension is applied to only one side of the wet fiber network and suction is applied to the other side of the wet fiber network. The suspension is sucked into the fiber network, but generally the suspension remaining near the substrate surface to which the suspension is applied rather than reaching the substrate surface to which the suction is applied. There are many. Thus, this method can be used to produce a gas diffusion substrate with a porosity gradient across the thickness of the substrate.

湿った繊維網状組織は、1000℃を超えない、好適には400℃を超えない温度で乾燥及び焼成される。これは、高温黒鉛化工程が必要とされる多くの従来技術方法にとって好ましい。好ましくは、焼成温度は、疎水性ポリマーを焼結し、繊維網状組織内に結合剤を固定する程十分なものであり、少なくとも270℃である。フェノール結合剤が繊維スラリーに添加された場合、結合剤を完全に炭化することが望ましいのであれば、750〜950℃で焼成を行わなければならない。   The wet fiber network is dried and fired at a temperature not exceeding 1000 ° C, preferably not exceeding 400 ° C. This is preferred for many prior art methods where a high temperature graphitization step is required. Preferably, the firing temperature is sufficient to sinter the hydrophobic polymer and fix the binder in the fiber network, and is at least 270 ° C. When a phenolic binder is added to the fiber slurry, firing should be performed at 750-950 ° C if it is desired to completely carbonize the binder.

本発明は更に、本発明によるガス拡散基材を調製するための代替方法を提供し、この方法は、
a)グラファイト粒子を疎水性ポリマーの懸濁液と混合して第1スラリーを形成し、
前記グラファイト粒子の少なくとも90%の最長寸法が100μm未満であり、
b)黒鉛化した炭素繊維と、液体と、及び必要に応じて結合剤とを混合して第2スラリーを形成し、
c)前記第1スラリーと前記第2スラリーとを混合して第3スラリーを形成し、
d)前記第3スラリーを多孔質ベッド上に付着させて繊維含有層を形成し、及び
e)1000℃を超えない温度で前記繊維含有層を乾燥及び焼成させる、各工程を含んでなるものである。
The present invention further provides an alternative method for preparing a gas diffusion substrate according to the present invention, which method comprises:
a) mixing graphite particles with a suspension of hydrophobic polymer to form a first slurry;
The longest dimension of at least 90% of the graphite particles is less than 100 μm;
b) mixing the graphitized carbon fiber, the liquid, and optionally a binder to form a second slurry;
c) mixing the first slurry and the second slurry to form a third slurry;
d) depositing the third slurry on the porous bed to form a fiber-containing layer; and e) drying and firing the fiber-containing layer at a temperature not exceeding 1000 ° C. is there.

この方法において、グラファイト粒子は、完全に炭素繊維ウェブ内に包含され、高温黒鉛化処理を必要とすることなく、単純な「ワンポット」プロセスにおいて高い伝導性のガス拡散基材を提供する。グラファイト粒子を疎水性ポリマー懸濁液と事前に混合することにより、グラファイト粒子は確実にガス拡散基材内に保持される。   In this way, the graphite particles are completely contained within the carbon fiber web and provide a highly conductive gas diffusion substrate in a simple “one pot” process without the need for high temperature graphitization. Premixing the graphite particles with the hydrophobic polymer suspension ensures that the graphite particles are retained within the gas diffusion substrate.

疎水性ポリマーの懸濁液は、水性であるのが好適であり、界面活性剤のような追加の成分を含んでもよい。懸濁液の固体分は、好適には0.01重量%〜1重量%である。グラファイト粒子は、高剪断ミキサーなどのミキサーを用いて疎水性ポリマー懸濁液と混合される。疎水性ポリマーに対するグラファイト粒子の重量比は、好適には50:1〜2:1であり、好ましくは10:1〜4:1である。本発明者らは、疎水性ポリマーに対するグラファイト粒子の比が、ガス拡散基材におけるグラファイト粒子の保持レベルに影響を及ぼすことを見出した。   The suspension of hydrophobic polymer is preferably aqueous and may contain additional components such as surfactants. The solid content of the suspension is preferably 0.01% to 1% by weight. The graphite particles are mixed with the hydrophobic polymer suspension using a mixer such as a high shear mixer. The weight ratio of graphite particles to hydrophobic polymer is suitably 50: 1 to 2: 1, preferably 10: 1 to 4: 1. The inventors have found that the ratio of graphite particles to hydrophobic polymer affects the retention level of graphite particles in the gas diffusion substrate.

第2スラリーにとって好ましい結合剤はポリビニルアルコール(PVA)である。液体は好ましくは水である。繊維に対する結合剤の比は好適には1:1〜1:20であり、第2スラリーの固体分は好適には1重量%未満である。繊維と、必要に応じて結合剤と、及び液体とが、高剪断ミキサーなどのミキサーを用いて混合される。一の実施態様によれば、フェノール樹脂が第2スラリーに添加されてもよい。   A preferred binder for the second slurry is polyvinyl alcohol (PVA). The liquid is preferably water. The ratio of binder to fiber is preferably 1: 1 to 1:20, and the solid content of the second slurry is preferably less than 1% by weight. The fibers, optionally a binder, and a liquid are mixed using a mixer such as a high shear mixer. According to one embodiment, a phenolic resin may be added to the second slurry.

第1スラリー及び第2スラリーは、好適には高剪断ミキサーを用いて共に混合される。グラファイト粒子、疎水性ポリマー及び黒鉛化炭素繊維を単一の工程で混合することは不可能であり、グラファイト粒子及び疎水性ポリマーを事前に混合することが必要である。さもなければ、グラファイト粒子はガス拡散基材内に保持されない。   The first slurry and the second slurry are preferably mixed together using a high shear mixer. It is impossible to mix graphite particles, hydrophobic polymer and graphitized carbon fiber in a single step, and it is necessary to pre-mix graphite particles and hydrophobic polymer. Otherwise, the graphite particles are not retained in the gas diffusion substrate.

第3スラリーは、好ましくは抄紙ワイヤ又は形成用布帛である多孔質ベッド上に付着される。第3スラリーは、多数の技法を用いて付着されてもよいが、好適にはウェアコーターを用いて付着される。第3スラリーがベッド上に付着されると、繊維含有層が形成される。繊維は層内で網状組織を形成し、グラファイト粒子及び疎水性ポリマーは繊維網状組織内に埋め込まれる。グラファイト粒子及び疎水性ポリマーの濃度は、繊維含有層の厚さ全体にわたって実質的に均一である。   The third slurry is deposited on a porous bed which is preferably a papermaking wire or forming fabric. The third slurry may be deposited using a number of techniques, but is preferably deposited using a wear coater. When the third slurry is deposited on the bed, a fiber-containing layer is formed. The fibers form a network within the layer, and the graphite particles and the hydrophobic polymer are embedded within the fiber network. The concentration of graphite particles and hydrophobic polymer is substantially uniform throughout the thickness of the fiber-containing layer.

繊維含有層は、400℃を超えない、好適には350℃を超えない温度で乾燥及び焼成される。これは、高温黒鉛化工程が必要とされる多くの従来技術方法にとって好ましい。好ましくは、焼成温度は、疎水性ポリマーを焼結し、繊維網状組織内に結合剤を固定するのに十分な程度であり、少なくとも270℃である。フェノール樹脂が第2スラリーに添加された場合、結合剤を炭化するには、750〜950℃で焼成を行わなければならない。   The fiber-containing layer is dried and fired at a temperature not exceeding 400 ° C, preferably not exceeding 350 ° C. This is preferred for many prior art methods where a high temperature graphitization step is required. Preferably, the firing temperature is at least sufficient to sinter the hydrophobic polymer and fix the binder in the fiber network, at least 270 ° C. When phenolic resin is added to the second slurry, it must be fired at 750-950 ° C. to carbonize the binder.

本発明の方法は、カーボンブラックと、疎水性ポリマーとを含む層を繊維含有層の少なくとも1つの面に付与する工程を更に含んでもよい。   The method of the present invention may further include the step of applying a layer containing carbon black and a hydrophobic polymer to at least one surface of the fiber-containing layer.

本発明は、ガス拡散電極を製造する方法であって、ガス拡散基材が本発明の方法に従って製造され、電極触媒層がガス拡散基材上に付着される方法を更に提供する。電極触媒層は、印刷法、噴霧法又はドクターブレード法などの、当業者に既知のコーティング方法を用いて載置される。   The present invention further provides a method of manufacturing a gas diffusion electrode, wherein a gas diffusion substrate is manufactured according to the method of the present invention and an electrode catalyst layer is deposited on the gas diffusion substrate. The electrocatalyst layer is placed using a coating method known to those skilled in the art, such as a printing method, a spray method or a doctor blade method.

ここで、実施例を参照して本発明を説明するが、これらの実施例は、本発明を例証するものであって、制限するものではない。   The invention will now be described with reference to examples, which are intended to illustrate but not limit the invention.

実施例1:ガス拡散基材
繊維を水に添加して攪拌することにより、SGL C30 6mm炭素繊維(黒鉛化されたPAN)75重量%(固体成分の重量を基準として)と、SGL C30 3mm炭素繊維(黒鉛化されたPAN)25重量%とを含有する繊維スラリーを調製した。PVA結合剤(Solvron NL2003)(スラリー乾燥重量により10%)及びTexipol「商品名」63−002粘度調整剤(スラリー容量により0.8%)を添加した。ウェアコーターを用いて繊維スラリーを抄紙ワイヤ上に付着させ、湿った不織布繊維網状組織を形成した。
Example 1: By adding gas diffusion base fiber to water and stirring, 75% by weight of SGL C30 6 mm carbon fiber (graphitized PAN) (based on the weight of the solid component) and SGL C30 3 mm carbon A fiber slurry containing 25% by weight of fiber (graphitized PAN) was prepared. PVA binder (Solvron NL2003) (10% by slurry dry weight) and Texipol “trade name” 63-002 viscosity modifier (0.8% by slurry volume) were added. The fiber slurry was deposited on the papermaking wire using a wear coater to form a wet nonwoven fiber network.

グラファイト懸濁液(AquaDag18%、Acheson)及びPTFE懸濁液(Fluon GP1溶液、Asahi Glass)を4:1の比で混合することによって、グラファイト/PTFEスラリーを調製した。カーテンコーターを用いてスラリーを湿った繊維網状組織に付与し、吸引装置を用いて繊維網状組織内に入れた。湿った基材を385℃で15分間乾燥及び焼成させた。   A graphite / PTFE slurry was prepared by mixing a graphite suspension (AquaDag 18%, Acheson) and PTFE suspension (Fluon GP1 solution, Asahi Glass) in a ratio of 4: 1. The slurry was applied to the wet fiber network using a curtain coater and placed in the fiber network using a suction device. The wet substrate was dried and fired at 385 ° C. for 15 minutes.

実施例2:ガス拡散基材
繊維を水に添加して攪拌することにより、SGL C30 6mm炭素繊維(黒鉛化されたPAN)を含有する繊維スラリーを調製した。PVA結合剤(Solvron NL2003)(スラリー乾燥重量により15%)及びTexipol「商品名」63−002粘度調整剤(スラリー容量により0.6%)を添加した。
Example 2: A fiber slurry containing SGL C30 6 mm carbon fiber (graphitized PAN) was prepared by adding gas diffusion substrate fiber to water and stirring. PVA binder (Solvron NL2003) (15% by slurry dry weight) and Texipol “trade name” 63-002 viscosity modifier (0.6% by slurry volume) were added.

Timcalグラファイトフレーク(T44)と、PTFE懸濁液(Fluon GP1溶液、Asahi Glass)(乾燥重量により6%)とを水に混合することによって、グラファイト粒子及びPTFEを含有する第2スラリーを調製した。   A second slurry containing graphite particles and PTFE was prepared by mixing Timcal graphite flakes (T44) and PTFE suspension (Fluon GP1 solution, Asahi Glass) (6% by dry weight) in water.

次いで、2つのスラリーを形成用タンク内で共に混合し、ウェアコーターを用いて繊維スラリーを抄紙ワイヤ上に付着させ、グラファイト粒子が点在する湿った不織布繊維網状組織を形成した。   The two slurries were then mixed together in a forming tank and the fiber slurry was deposited on the papermaking wire using a wear coater to form a wet nonwoven fiber network interspersed with graphite particles.

湿った基材を385℃で15分間乾燥及び焼成させた。   The wet substrate was dried and fired at 385 ° C. for 15 minutes.

実施例3:膜電極アセンブリ
実施例1に従って製造された2つのガス拡散基材を用いて、実施例MEA1を調製した。炭素/PTFE基層を各ガス拡散基材の1つの面に付与した。基層が膜に面した状態で、触媒された過フッ素化スルホン酸膜のいずれの側にもガス拡散基材を配置し、アセンブリを共に積層した。ガス拡散基材が、実施例1によるガス拡散基材とほぼ同じ厚さを有するToray「商品名」TGP−H−060紙であることを除き、全く同じ方法で比較例MEA1を調製した。
Example 3 Membrane Electrode Assembly Example MEA1 was prepared using two gas diffusion substrates manufactured according to Example 1. A carbon / PTFE base layer was applied to one side of each gas diffusion substrate. With the base layer facing the membrane, a gas diffusion substrate was placed on either side of the catalyzed perfluorinated sulfonic acid membrane and the assembly was laminated together. Comparative Example MEA1 was prepared in exactly the same manner except that the gas diffusion substrate was Toray “trade name” TGP-H-060 paper having approximately the same thickness as the gas diffusion substrate according to Example 1.

両方のMEAを、水素圧14.9kPa及び空気圧14.9kPaを用いて燃料電池内にて65℃で試験した。図1は、実施例MEA1の性能が比較例MEA1の性能に匹敵していたことを示している。   Both MEAs were tested at 65 ° C. in a fuel cell using a hydrogen pressure of 14.9 kPa and an air pressure of 14.9 kPa. FIG. 1 shows that the performance of Example MEA1 was comparable to that of Comparative Example MEA1.

図1は、実施例MEA1の性能及び比較例MEA1の電池電圧と電流密度の関係を示す。FIG. 1 shows the performance of Example MEA1 and the relationship between the battery voltage and current density of Comparative Example MEA1.

Claims (21)

炭素繊維の不織布網状組織と、及び
前記炭素繊維が黒鉛化されてなるが、前記不織布網状組織は黒鉛化処理されていないものであり、
前記不織布網状組織内に配置されたグラファイト粒子と疎水性ポリマーの混合物とを備えてなり、
前記グラファイト粒子の少なくとも90%の最長寸法が100μm未満である、ガス拡散基材。
Carbon fiber non-woven network, and the carbon fiber is graphitized, the non-woven network is not graphitized,
Comprising a mixture of graphite particles and a hydrophobic polymer disposed within the nonwoven network;
A gas diffusion substrate, wherein the longest dimension of at least 90% of the graphite particles is less than 100 μm.
前記不織布網状組織の坪量が10〜50g/mである、請求項1に記載のガス拡散基材。The gas diffusion base material according to claim 1, wherein the basis weight of the nonwoven fabric network is 10 to 50 g / m 2 . 前記グラファイト粒子の少なくとも90%の最長寸法が20〜0.1μmである、請求項1又は2に記載のガス拡散基材。  The gas diffusion substrate according to claim 1 or 2, wherein the longest dimension of at least 90% of the graphite particles is 20 to 0.1 µm. 前記グラファイト粒子が、コロイド状懸濁液中に保持されてなる、請求項1〜3のいずれか一項に記載のガス拡散基材。The graphite particles becomes held in colloidal suspension, the gas diffusion substrate according to any one of claims 1-3. 疎水性ポリマーに対するグラファイト粒子の重量比が50:1〜2:1である、請求項1〜4のいずれか一項に記載のガス拡散基材。  The gas diffusion substrate according to any one of claims 1 to 4, wherein the weight ratio of the graphite particles to the hydrophobic polymer is 50: 1 to 2: 1. 炭素繊維に対する前記グラファイト粒子の重量比が1:2〜10:1である、請求項1〜5のいずれか一項に記載のガス拡散基材。  The gas diffusion substrate according to any one of claims 1 to 5, wherein a weight ratio of the graphite particles to carbon fibers is 1: 2 to 10: 1. 前記ガス拡散基材が、前記不織布網状組織の厚さ全体にわたって、前記グラファイト粒子及び疎水性ポリマーの濃度勾配を有する、請求項1〜6のいずれか一項に記載のガス拡散基材。  The gas diffusion substrate according to any one of claims 1 to 6, wherein the gas diffusion substrate has a concentration gradient of the graphite particles and the hydrophobic polymer over the entire thickness of the nonwoven network. 前記グラファイト粒子及び疎水性ポリマーが前記繊維網状組織内に均質に配置されてなる、請求項1〜6のいずれか一項に記載のガス拡散基材。  The gas diffusion base material according to any one of claims 1 to 6, wherein the graphite particles and the hydrophobic polymer are uniformly arranged in the fiber network. 炭化フェノール樹脂結合剤を備えてなる、請求項1〜8のいずれか一項に記載のガス拡散基材。  The gas diffusion base material according to any one of claims 1 to 8, comprising a carbonized phenol resin binder. カーボンブラック及び疎水性ポリマーの基層が、前記ガス拡散基材の少なくとも1つの面上に存在する、請求項1〜9のいずれか一項に記載のガス拡散基材。  The gas diffusion substrate according to any one of claims 1 to 9, wherein a base layer of carbon black and a hydrophobic polymer is present on at least one surface of the gas diffusion substrate. 請求項1〜10のいずれか一項に記載のガス拡散基材と、電極触媒層とを備えてなるガス拡散電極。  A gas diffusion electrode comprising the gas diffusion substrate according to any one of claims 1 to 10 and an electrode catalyst layer. 前記電極触媒層が、グラファイト粒子及び疎水性ポリマーの濃度がより高い前記ガス拡散基材の面に接している、請求項11に記載のガス拡散電極。  The gas diffusion electrode according to claim 11, wherein the electrode catalyst layer is in contact with the surface of the gas diffusion substrate having a higher concentration of graphite particles and hydrophobic polymer. 請求項1〜10のいずれか一項に記載のガス拡散基材を備えてなる、膜電極アセンブリ。  The membrane electrode assembly provided with the gas diffusion base material as described in any one of Claims 1-10. 請求項11又は12に記載のガス拡散電極を備えてなる、膜電極アセンブリ。  A membrane electrode assembly comprising the gas diffusion electrode according to claim 11 or 12. 請求項1〜8のいずれか一項に記載のガス拡散基材を製造するための方法であって、
a)多孔質ベッド上に黒鉛化炭素繊維のスラリーを付着させ、湿った繊維網状組織を形成し、
b)グラファイト粒子及び疎水性ポリマーの懸濁液を調製し、
前記グラファイト粒子の少なくとも90%の最長寸法が100μm未満であり、
c)前記湿った繊維網状組織上に前記懸濁液を付与し、
d)前記懸濁液を前記湿った繊維網状組織内へ入れ、及び
e)1000℃を超えない温度で前記湿った繊維網状組織を乾燥及び焼成させる、各工程を含んでなる、製造方法。
A method for producing a gas diffusion substrate according to any one of claims 1 to 8,
a) depositing a graphitized carbon fiber slurry on the porous bed to form a wet fiber network;
b) preparing a suspension of graphite particles and a hydrophobic polymer;
The longest dimension of at least 90% of the graphite particles is less than 100 μm;
c) applying the suspension onto the wet fiber network;
d) A method of manufacturing comprising the steps of: placing the suspension into the wet fiber network; and e) drying and firing the wet fiber network at a temperature not exceeding 1000 ° C.
工程(d)において、吸引装置を用いて前記懸濁液が前記湿った繊維網状組織内へ入れられてなる、請求項15に記載の製造方法。  The manufacturing method according to claim 15, wherein in the step (d), the suspension is put into the wet fiber network using a suction device. 前記懸濁液が前記湿った繊維網状組織の一の面に付与されてなり、且つ、前記吸引が前記湿った繊維網状組織の他の面に付与されてなる、請求項16に記載の製造方法。  The manufacturing method according to claim 16, wherein the suspension is applied to one surface of the wet fiber network, and the suction is applied to the other surface of the wet fiber network. . 請求項1〜8のいずれか一項に記載のガス拡散基材を製造する方法であって、
a)グラファイト粒子を疎水性ポリマーの懸濁液と混合して第1スラリーを形成し、
前記グラファイト粒子の少なくとも90%の最長寸法が100μm未満であり、
b)黒鉛化した炭素繊維と、液体と、及び必要に応じて結合剤とを混合して第2スラリーを形成し、
c)前記第1スラリーと前記第2スラリーとを混合して第3スラリーを形成し、
d)前記第3スラリーを多孔質ベッド上に付着させて繊維含有層を形成し、及び
e)1000℃を超えない温度で前記繊維含有層を乾燥及び焼成させる、各工程を含んでなる、製造方法。
A method for producing the gas diffusion substrate according to any one of claims 1 to 8,
a) mixing graphite particles with a suspension of hydrophobic polymer to form a first slurry;
The longest dimension of at least 90% of the graphite particles is less than 100 μm;
b) mixing the graphitized carbon fiber, the liquid, and optionally a binder to form a second slurry;
c) mixing the first slurry and the second slurry to form a third slurry;
d) depositing the third slurry on a porous bed to form a fiber-containing layer; and e) drying and firing the fiber-containing layer at a temperature not exceeding 1000 ° C. Method.
カーボンブラック及び疎水性ポリマーを含んでなる層を、前記繊維含有層の少なくとも一つの面に付与する工程を更に含んでなる、請求項18に記載の製造方法。The manufacturing method according to claim 18 , further comprising a step of applying a layer comprising carbon black and a hydrophobic polymer to at least one surface of the fiber-containing layer. カーボンブラック及び疎水性ポリマーを含んでなる層を、前記繊維網状組織の少なくとも一つの面に付与する工程を更に含んでなる、請求項15〜17の何れか一項に記載の製造方法 The production method according to any one of claims 15 to 17, further comprising a step of imparting a layer comprising carbon black and a hydrophobic polymer to at least one surface of the fiber network . ガス拡散基材が、請求項15〜20のいずれか一項に記載の製造方法により製造されてなり、且つ、電極触媒層が前記ガス拡散基材上に付着されてなる、ガス拡散電極を製造する方法。A gas diffusion substrate is manufactured by the manufacturing method according to any one of claims 15 to 20 , and an electrode catalyst layer is attached on the gas diffusion substrate. how to.
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